Чаму ў космасе холадна, калі вакуум не перадае цеплыню?

Вакуум космасу — гэта месца, якое мае вельмі жорсткія ўмовы для знаходжання ў ім без спецыяльнага рыштунку. Часцяком праскоквае здагадка, што, паколькі вакуум не перадае цеплыню, чалавек не павінен замярзаць у космасе. Аднак гэтае паданне няслушнае, і вось чаму.

Правільна, што цеплаправоднасць вакууму роўная нулю, аднак важна памятаць, што вакуум прапускае выпраменьванне. Чалавек замярзае, калі яго цеплавыя страты вышэй цяпла, які паступае з навакольнага асяроддзя. Космас, запоўнены рэліктавым выпраменьваннем з тэмпературай прыкладна 2.7 K, дае нікчэмна мала цяпла для кампенсацыі цеплавых страт чалавека.

Ацэнім, за які час можа змерзнуць сярэднестатыстычны чалавек у касмічным вакууме без ахоўнага скафандра. Параметры чалавека: маса m = 70 кг, плошча паверхні цела S=1,9 м². З закона Стэфана-Больцмана, любое цела з тэмпературай Т (у Кельвінах) у тэрмадынамічнай раўнавазе выпраменьвае інфрачырвонае (цеплавое) выпраменьванне са свяцільнасцю Q = εσT⁴, дзе σ = 5,67×10⁻⁸ Вт/(м²⋅К⁴), а — выпраменьвальная здольнасць (ε = 0, калі чалавек у спраўным скафандры, і ε = 1, калі ён абсалютна "чорнае цела"). Возьмем ε = 0.9 (чалавек голы).

Палічым, за які час чалавек пры пачатковай тэмпературы Т₀= 36,6°C (або 309,75 Да), ператворыцца ў глыбу лёду з тэмпературай T₁= 0 °C (або 273,15 K) пры ўмове, што ён на 80% складаецца з вады. Змяненне цеплавой энергіі чалавека ацэнім з ΔQ₀ = cm(Т₀ - T₁) з дапаўненнем (Lm) энергіі, на выпадак поўнага абледзянення. Час астуджэння чалавека ад Т₀ да T₁ ацэнім з набліжэння t=ΔQ₀/<Q>, дзе <Q> = S⋅[Q(Т₀) + Q(T₁)]/2.

З улікам усіх гэтых параметраў прыходзім да наступных вынікаў: за 20 хвілін тэмпература цела апусціцца да 32°C, выклікаючы страту прытомнасці; праз 3 гадзіны тэмпература цела дасягне 0°C; і за 10 гадзін чалавек ператворыцца ў глыбу лёду з тэмпературай 0°C.

Такім чынам, касмічны вакуум — гэта не месца для прагулак без скафандра. Скафандр ж адлюстроўвае цеплавое выпраменьванне цела, вяртаючы яго чалавеку, што дазваляе падтрымліваць камфортную тэмпературу.

Тут варта адзначыць, што мы не ўлічвалі медыцынскія праблемы, звязаныя са скурным покрывам чалавека ў вакууме, і інтэнсіўнае выпарэнне вільгаці са скуры, што таксама з'яўляецца дадатковай і істотнай крыніцай астуджэння цела.

Вядома, можна запярэчыць, што ў нашых разліках мы ўлічылі толькі цеплавыя страты, але ж чалавек — гэта і сам цеплавая машына. Улічым і гэта. Сярэдні чалавек спажывае каля 2,5 ккал у дзень, што адпавядае магутнасці ў 120 Вт. Голае цела з тэмпературай Т₀ = 36,6°C, згодна з законам Стэфана-Больцмана, выпраменьвае цеплавое (інфрачырвонае) выпраменьванне з магутнасцю S⋅Q = 900 Вт. Калі б вы былі дома, голым на канапе пры тэмпературы T = 25 °C, ваша цела атрымала б каля S⋅Q* = 850 Вт цеплавой магутнасці з навакольнага асяроддзя. Рэшту, каля S(Q − Q*) = 50 Вт, лёгка кампенсаваў бы ваш арганізм магутнасцю 120 Вт. Але ў космасе, навакольнае асяроддзе мае тэмпературу рэліктавага выпраменьвання (-270,4°C) і няма спосабу кампенсаваць цеплавыя страты з паверхні цела (900 Вт). Такім чынам, ваш арганізм, як цеплавая машына (120 Вт), аказваецца няздольным справіцца са стратай цяпла, і вы страціце прытомнасць ужо праз 20 хвілін.

Такім чынам, хадзіць голым у космасе нельга. Хоць вакуум не перадае цеплыню, цеплавыпраменьванне ад цела можа быць нядосыць, каб падтрымаць яго тэмпературу. Гэта паказвае, наколькі складанымі могуць быць фізічныя працэсы ў касмічнай прасторы, і чаму неабходны спецыяльныя рыштунак і тэхналогіі для бяспечнага і паспяховага вывучэння космасу.